TVS瞬态干扰抑制器

TVS瞬态干扰抑制器瞬态干扰瞬态干扰指交流电网上出现的浪涌电压、振铃电压、火花放电等瞬间干扰信号,其特点是作用时间极短,但电压幅度高、瞬态能量大。瞬态干扰会造成控制系统的电源电压的波动;当瞬态电压叠加在控制系统的输入电压上,使输入控制系统的电压超过系统内部器件的极限电压时,便会损坏控制系统内部的设备,因此必须采用抑制措施。硅瞬变吸收二极管TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR）硅瞬变吸收二极管的工作有点象普通的稳压管,是箝位型的干扰吸收器件;其应用是与被保护设备并联使用。硅瞬变电压吸收二极管具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力,及极多的电压档次。可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压,以及感应雷所产生的过电压。 TVS管有单方向(单个二极管)和双方向(两个背对背连接的二极管)两种,它们的主要参数是击穿电压、漏电流和电容。使用中TVS管的击穿电压要比被保护电路工作电压高10左右,以防止因线路工作电压接近TVS击穿电压,使TVS漏电流影响电路正常工作;也避免因环境温度变化导致TVS管击穿电压落入线路正常工作电压的范围。 TVS管有多种封装形式,如轴向引线产品可用在电源馈线上;双列直插的和表面贴装的适合于在印刷板上作为逻辑电路、I/O总线及数据总线的保护。TVS的特性TVS的电路符号和普通的稳压管相同。其电压-电流特性曲线如图1所示。其正向特性与普通二极管相同,反向特性为典型的PN结雪崩器件。图2是TVS的电流-时间和电压-时间曲线。在浪涌电压的作用下,TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR,而被击穿。随着击穿电流的出现,流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP,同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后,随着脉冲电流按指数衰减,TVS两极间的电压也不断下降,最后恢复到初态,这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率,保护电子元器件的过程。当TVS两极受到反向高能量冲击时,它能以1012s级的速度,将其两极间的阻抗由高变低,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电位箝位于预定值,有效地保护电子设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压容易控制、体积小等优点,目前已广泛应用于家用电器、电子仪表、通讯设备、电源、计算机系统等各个领域。 TVS的特性曲线TVS的特性及参数几种典型波型的K值TVS的分类TVS器件按极性可分为单极性和双极性两种;按用途可分为通用型和专用型;按封装和内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插TVS阵列、贴片式和大功率模块等。轴向引线的产品峰值功率可以达到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的产品主要用在电源馈线上,低功率产品主要用在高密度安装的场合。对于高密度安装的场合还可以选择双列直插和表面贴装的封装形式。TVS的选用1.确定待保护电路的直流电压或持续工作电压。如果是交流电，应计算出最大值，即用有效值*1.414。2.TVS的反向变位电压即工作电压（VRWM）-选择TVS的VRWM等于或大于上述步骤1所规定的操作电压。这就保证了在正常工作条件下TVS吸收的电流可忽略不计,如果步骤1所规定的电压高于TVS的VRWM ,TVS将吸收大量的漏电流而处于雪崩击穿状态，从而影响电路的工作。3.最大峰值脉冲功率：确定电路的干扰脉冲情况,根据干扰脉冲的波形、脉冲持续时间,确定能够有效抑制该干扰的TVS峰值脉冲功率。4.所选TVS的最大箝位电压（VC）应低于被保护电路所允许的最大承受电压。5.单极性还是双极性-常常会出现这样的误解即双向TVS用来抑制反向浪涌脉冲，其实并非如此。双向TVS用于交流电或来自正负双向脉冲的场合。TVS有时也用于减少电容。如果电路只有正向电平信号，那麽单向TVS就足够了。TVS操作方式如下：正向浪涌时,TVS处于反向雪崩击穿状态；反向浪涌时，TVS类似正向偏置二极管一样导通并吸收浪涌能量。在低电容电路里情况就不是这样了。应选用双向TVS以保护电路中的低电容器件免受反向浪涌的损害。6.如果知道比较准确的浪涌电流IPP，那么可以利用VC来确定其功率，如果无法确定功率的概范围，一般来说，选择功率大一些比较好。7.对于数据接口电路的保护,还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。8.其他需注意事项-根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理;多线保护选用TVS阵列更为有利。-温度考虑瞬态电压抑制器可以在55150之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度下工作,由于其反向漏电流ID是随温度增加而增大;功耗随TVS结温增加而下降,从25到175,大约线性下降50;击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此,必须查阅有关产品资料,考虑温度变化对其特性的影响。TVS管在使用中应注意的事项-对瞬变电压的吸收功率(峰值)与瞬变电压脉冲宽度间的关系。手册给的只是特定脉宽下的吸收功率(峰值),而实际线路中的脉冲宽度则变化莫测,事前要有估计。对宽脉冲应降额使用。-对小电流负载的保护,可有意识地在线路中增加限流电阻,只要限流电阻的阻值适当,不会影响线路的正常工作,但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。这就有可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护.-对重复出现的瞬变电压的抑制,尤其值得注意的是TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内。-降额使用作为半导体器件的TVS管,要注意环境温度升高时的降额使用问题。特别要注意TVS管的引线长短,以及它与被保护线路的相对距离。当没有合适电压的TVS管供采用时,允许用多个TVS管串联使用。串联管的最大电流决定于所采用管中电流吸收能力最小的一个。而峰值吸收功率等于这个电流与串联管电压之和的乘积。-TVS管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素,在这种情况下,一般用一个TVS管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接,由于快恢复二极管有较小的结电容,因而二者串联的等效电容也较小,可满足高频使用的要求。TVS在电路中的应用1.TVS用于交流电路图2-1是一个双向TVS在交流电路中的应用，可以有效地抑制电网带来的过载脉冲，从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用。TVS的箝位电压不大于电路的最大允许电压。图2-2所示是用单向TVS并联于整流管旁侧，以保护整流管不被瞬时脉冲击穿，选用TVS必须是和整流管相匹配。图2-3所示电路中，单向TVS1和TVS2反接并联于电源变压器输出端或选用一个双向TVS，用以保护整流电路及负载中的元器件。TVS3保护整流以后的线路元件，如电源变压器输出端电压为36伏时一般TVS1和TVS2的工作电压VR应根据362 来选择，其它参数依据电路中的具体条件而下。 TVS在电路应用中的典型例子交流电路应用举例： 直流线路采用单向瞬变电压抑制二极管，交流则必须采用双向瞬变电压抑制二极管。交流是电网电压，这里产生的瞬变电压是随机的，有时还遇到雷击（雷电感应产生的瞬变电压）所以很难定量估算出瞬时脉冲功率PPR。但是对最大反向工作电压必须有正确的选取。一般原则是交流电压乘1.4倍来选取TVS管的最大反向工作电压。直流电压则按1.11.2倍来选取TVS管的最大反向工作电压VRWM。 微机电源采用TVS作线路保护的原理图如上图给出了一个微机电源采用TVS作线路保护的原理图，由图可见：1. 在进线的220V处加TVS管抑制220V交流电网中尖峰干扰。 2. 在变压器进线加上干扰滤波器，滤除小尖峰干扰。 3. 在变压输出端V=20V处又加上TVS管，再一次抑制干扰。 4. 到了直流10V输出时还加上TVS管抑制干扰。其中：双向TVS管D1的VRWM=220V1.4=308V左右双向TVS管D2的VRWM=20V1.4=28V左右单向TVS管D3的VRWM=10V1.2=12V左右 经过如上四次抑制，变成所谓的“净化电源”，还可以加上其它措施，更有效地抑制干扰，防止干扰进入计算机的CPU及存贮器中，从而提高微机系统的应用可靠性。2.TVS用于直流电路：图2-4所示TVS并联于输出端，可有效地保护控制系统。TVS的反向工作电压应等于或略高于直流供电电压，其它参数根据电路的具体条件而定。图2-5所示为两个单向TVS连接在电源线路中，用以防止直流电源反接或电源通、断时产生的瞬时脉冲使集成电路损坏。当电路连接有感性负载，如电机、断电器线圈、螺线管时，会产生很高的瞬时脉冲电压，图2-6中的TVS可以保护晶体管及逻辑电路，从而省去了较复杂的电阻/电容保护网络。图2-7电路中TVS起保护和电压限制的作用。TVS用于直流电路-1TVS用于直流电路-2直流电中选用举例：整机直流工作电压12V，最大允许安全电压25V（峰值），浪涌源的阻抗50M，其干扰波形为方波，TP=1MS ，最大峰值电流50A。选择：1、先从工作电压12V选取最大反向工作电压VRWM为13V，则击穿电压V(BR)=VRWM/0.85=15.3V2、从击穿电压值选取最大箝位电压Vc(MAX)=1.30V(BR)=19.89V，取Vc=20V3、再从箝位电压VC和最在峰值电流IP计算出方波脉冲功率： PPR=VCIP=2050=1000W4、计算折合为TP=1MS指数波的峰值功率，折合系数K1=1.4，PPR=1000W1.4=715W从手册中可查到1N6147A其中PPR=1500W，变位电压VRWM=12.2V，击穿电压V(BR)=15.2V，最大箝位电